环刀法测定土壤田间持水量实验结果分析

王艳丽

(河北省沧州水文水资源勘测局，河北 沧州)



环刀法测定土壤田间持水量实验结果分析

王艳丽

(河北省沧州水文水资源勘测局，河北 沧州)

[摘要]应用环刀法测定沧州地区8个代表地块不同质地的土壤田间持水量，结果显示土壤干容重和田间持水量与土壤结构及质地密切相关，不同土壤质地田间持水量和干容重不同，同一土壤质地各土层的田间持水量和干容重也不同，为确定灌溉定额，土壤墒情的日常监测工作及墒情评价指标的制定及判断作物的干旱程度提供依据。

[关键词]干容重；田间持水量；实验方法；结果分析

在地下水较深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允许水分充分下渗，并防止其水分蒸发，经过一定时间，土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量，是大多数植物可利用的土壤水上限。土壤毛管水分为毛管悬着水和毛管上升水。前者是指当土壤灌水或降雨后，水分沿土壤孔隙下移，受毛管引力作用被“悬挂”在土壤上层毛管中，但又未与地下水相连。这种水达到最大量时(即上面还未蒸发，下移水受毛管引力不再下移时)，称为田间持水量。其持水能力和土壤质地、有机质含量、土壤剖面结构以及地下水埋深等因素的不同而变化。

土壤田间持水量的测定，较常用的方法有环刀法、围框淹灌法、天然降水法。环刀法利用环刀在实验地块采集原状土带回室内，在人工干预情况下，使土样含水量达到饱和，排出重力水后，测定的土壤含水量即为田间持水量。该法操作简便，适用于各类土壤。围框淹灌法是在实验地块中建立实验区，通过设置围框、人工灌水、地膜覆盖、自然渗透等一系列人工干预的技术手段，使围框内土壤含水量达到饱和，待自然排出重力水后，测定最大毛管悬着水量即为田间持水量。该法较符合田间实际，测定结果具有代表性。不足之处是需监测土壤退水过程，工作量较大，不适合地下水位较浅的地块。天然降水法即饱和雨后测定法，是指当大气降水达到一定量级，实验地块土壤水分含量达到饱和，排除多余重力水后测定的土壤含水量即为田间持水量。该法对降水条件、监测时机要求较高，且实验地块土壤水分应达到饱和。该法较符合田间实际，不受人为因素影响，测定结果代表性好。但渗透性差的土壤、地下水埋深较浅的地块则不宜选用。

通过对沧州地区的8个代表地块土壤进行了实验，结果显示环刀法对于测定土壤的田间持水量具有实用性和可靠性，为确定灌溉定额，土壤墒情的日常监测工作及墒情评价指标的制定及判断作物的干旱程度提供依据。

1测定实验

1.1实验方法

利用环刀在实验地块上采集原状土带回室内，在人工干预条件下，使土样含水量达到饱和，排出重力水后，测定的土壤含水量即为田间持水量。该法操作简便，适用于各类土壤。事先通知观测人员在日常观测地块上选取两块1 m×1 m实验地，人为浇水使其渗透至40 cm，1～2 d后水情科同志们去采样，分别在10 cm、20 cm、40 cm三个土层深度采样，同一深度采集五个土样。

主要仪器：沙箱桶：用白铁皮打制(黑白铁加工)，确保接缝处不漏水，高80 cm，直径60 cm，底部周边打了许多小的通水孔。砂箱盖：用白铁皮打制，高10 cm，直径60 cm。外置水箱：用白铁皮打制，确保接缝处不漏水，内部净高10 cm，直径80 cm。石英砂规格：采购20～40目石英砂，环刀规格：容积100 cm3， 50.46×50 ，包含上、下盖。大铝盒：直径80×60，环刀手柄、切土刀、削土刀、电子天平、烘箱、干燥器等设备(见图1)。

图1　环刀法测定土壤田间持水量装置图

1.2实验步骤

1.2.1取样

剖面开挖水平取土，取土坑尺寸不小于60 cm×40 cm×50 cm(长×宽×深)，同一采集深度的土壤质地应相同，在10 cm、20 cm、40 cm三个土层深度采样，同一深度采集五个土样。采样时应保证土壤样本代表所在地块土质，避免大的植物根须、石块等杂质掺入土壤样本，影响样本的代表性。

将事先编好号的环刀依次按要求敲入土中，挖出削平，使环刀内的土壤体积恰好为环刀的容积。在环刀刀刃一端垫上滤纸盖上有孔底盖，另一端盖上顶盖，擦净环刀外壁附土，将环刀放入带减震措施的纸箱中带回实验室。

1.2.2测定

1)吸水阶段

取样回来后，打开环刀顶盖，将装有原状土样的环刀(垫有滤纸、带底盖)放入铺有砂子(砂子粒径在1 mm左右，厚度1 cm以上，砂子上面需铺一层大张滤纸)的盛水容器中，向容器内缓慢注入清水，水面低于环刀顶1～2 mm时停止注水，浸泡过程中随时向容器内补水，保持水面低于环刀上沿1～2 mm不变，环刀土样浸水时间不少于24 h，确保土壤样本浸泡均匀(砂土、壤土1 d，粘土2～3 d)，使环刀中的土壤水分达到饱和状态(此时可以看到环刀中土壤表面的空隙中都充满了水，表面有一层水膜)。待土样达饱和状态后。去除带滤纸面底盖，放入沙箱，进行退水实验，一般沙土1～2 d，壤土2～3 d，粘土3～7 d。保证外置水量水面10 cm，及时补水。

2)退水阶段

在土样吸水的同时，准备沙箱，洗砂，滤砂、装砂至少分两层装砂，静置2 h后，保证砂面至外置水箱水面60 cm。

将土样浸泡饱和的环刀移去底盖，将环刀周围水分擦拭干净，盖上顶盖，称重。然后将环刀(含滤纸、橡皮筋、顶盖)放置在沙箱中石英砂上(石英砂上表面铺一层大张滤纸)，为使土样与石英砂紧密接触，以不扰动砂层为原则，可用空环刀将环刀压实。盖上沙箱盖，保持一定时间。为了确定每种土样在沙箱中达到田持的时间，需分时段称重，点绘退水过程线即退水土样质量与监测时间过程线，称重前将天平调平校零。第一天每3 h称重一次(每次称重后立即将原样放入沙箱中，直至最后一次)，第二天每6 h称重一次，第三天后每12 h称重一次，直至相邻测次质量相差小于0.5 g为止。根据土质不同，田间持水量出现的时间节点分别为：砂土1～2 d，壤土2～3 d，粘土3～7 d。

待退水完成后去掉橡皮筋，小心揭掉滤纸，将环刀中土样推出，装入大铝盒中，然后用切土刀将土样切碎，将环刀、切土刀放到大铝盒碎土样上面，大铝盒整体(铝盒、环刀、切土刀、湿土样)放在天平上称重。

3)烘干计算阶段

放入烤箱烘干，105±2℃条件下持续恒温12 h，达到预定烘干时长后，关闭电源。在烘箱冷却(1～2 h)，冷却至室温，取出放在天平上整体(铝盒、环刀、切土刀、干土样)称重记录。计算田间持水量及干容重。

1.3结果计算

土壤重量含水量计算：

(1)

式中：ω为土壤重量含水量，%；W1为湿土+容器的重量，g；W2为干土+容器的重量，g；W0为容器的重量(容器为编号对应的环刀+大铝盒+切土刀)，g。

土壤容重计算：

(2)

式中：γ0为干容重， g/cm3；Wg为干土质量，g；V为原状土样体积即环刀体积cm3。

单站平均田间持水量用土层深度加权平均法计算：

(3)

根据式(3)，则单站垂向平均田间持水量计算公式可简化为：

(4)

同一采集深度的3个土样，田持的最大值与最小值之差值≤1.5%，则取3个的均值；田持的最大值与最小值之差值大于1.5%且中间值与最大、最小值之差绝对值≤1.0%，则取相近的2个取均值；否则该站样本作废。

2结果分析

2.1不同土壤吸水时间分析

通过环刀法测定土壤田间持水量实验发现：

1)不同土壤质地的土样吸水达田间持水量的时间差异很大。通过实验发现，砂土在1 d，壤土在1～2 d，粘土在3～7 d。

2)同一土壤质地，不同土层的土样吸水达田间持水量的时间也有差异。以海兴农场站为例，该站为粘土质地，表层10 cm土样吸水达田间持水量时间在72 h，而50 cm土样在153 h。

2.2不同土壤退水时间分析

对8个代表地块进行退水实验，直至相邻测次质量相差小于0.5 g稳定为止，以连镇站为例，每层取5个平行土样，绘制10 cm、20 cm、40 cm土样退水过程线图(见图2～图4)。

图2　连镇站10 cm土层环刀法土样退水过程线

通过过程线可以看出，连镇站土样土壤含水量达到饱和后，土壤水分在前3 h内快速消退，之后变缓，待一天后基本处于稳定状态，稳定期后4天左右后又开始缓慢消退，但消退很慢，间隔12 h前后重量相差均小于0.5 g，符合退水精度要求。

通过分析实验监测到的土壤含水量退水过程线，可得到土壤水分消退规律：当土壤含水量达到饱和后，在重力影响下，土壤水分迅速排出，当达到田间持水量时，土壤水分达到稳定平衡期，这个时期就是退水时间节点，测定土壤田间持水量的最佳时期。在这个稳定期后土壤含水量又出现一个非常缓慢消退现象。成果显示，用环刀法测定土壤田间持水量时，砂土退水稳定期一般为1～2 d，壤土为2～3 d，粘土为3～7 d。

图3　连镇站20 cm土层环刀法土样退水过程线

图4　连镇站40 cm土层环刀法土样退水过程线

2.3不同土壤干容重分析

1)不同深度土层干容重不同。以连镇站为例，10 cm土层干容重为1.28 g/cm3，20 cm土层干容重为1.41 g/cm3，40 cm土层干容重为1.33 g/cm3，可见同一地块不同土层干容重也有差异。

2)土壤干容重和田间持水量持负相关。以肃宁站为例，10 cm土层干容重和田间持水量分别为25.9%和1.52 g/cm3，20 cm土层干容重和田间持水量分别为27.4%和1.43 g/cm3，40 cm土层干容重和田间持水量分别为28.3%和1.40 g/cm3，可见干容重越大，田间持水量越小。成果显示，土壤干容重越大，土壤越密实，孔隙度越小，田间持水量越小；反之，土壤干容重越小，土壤越松散，孔隙度越大，田间持水量越大。

2.4不同土壤田间持水量分析

1)不同土壤质地田间持水量不同。以旧城站和海兴农场站为例，土壤质地分别为壤土和粘土，平均田间持水量分别为24.2%、29.3%，结果显示不同土壤质地的田间持水量有很大差别。根据土壤的物理性质，颗粒越细，其表面积越大，垒结后形成的空隙也就越小，对水的吸持能力就越大，田间持水量相对较高，也就是砂土、壤土、粘土田间持水量依次增大。其中，砂土田间持水量一般为14%～20%，壤土为20%～28%，粘土为25%以上。

2)同一土壤质地不同土层田间持水量也存在差异。以海兴农场站为例，10 cm土层田间持水量为28.0%，20 cm土层田间持水量为26.8%，40 cm土层田间持水量为34.8%，可见同一土壤质地不同土层的田间持水量也不同。40 cm深土层田间持水量最大，故墒情监测及旱情评价指标制定上在参考不同土壤质地的同时也要考虑不同土壤深度。

3结语

综合2015年10-12月间沧州水文局8个实验地块不同质地土壤的田间持水量测定结果如表1，发现：

1)不同土壤吸水和退水时长不同。

2)不同土壤质地田间持水量和干容重不同，同一土壤质地各土层的田间持水量和干容重也不同。

表1　河北省沧州市土壤田间持水量测定成果表

土壤干容重和田间持水量和土壤结构及质地密切相关，颗粒越细，其表面积越大，垒结后形成的空隙也就越小，对水的吸持能力就越大，田间持水量相对较高，也就是砂土、壤土、粘土田间持水量依次增大。一般情况下，砂土田间持水量为14%～20%，壤土为20%～28%，粘土为25%以上。

通过数据分析，可以看出由环刀法测定不同土壤质地各土层的土壤含水量基本上符合常规的土壤层次田间持水量的变化趋势，并且和常规标准方法相比结果在经验值范围内。由此可见，环刀法对于测定土壤田间持水量是比较可靠和实用的，相对于其他测定方法更简便快捷，其测定结果为确定灌溉定额，土壤墒情的日常监测工作及墒情评价指标的制定及判断作物的干旱程度提供依据。

参考文献

[1]孙春鹏，等．土壤田间持水量测定技术规程[S]．水利部水文局.2015.

[2]张百川．沙箱法测定土壤田间持水量实验研究[J]．江淮水利科技.2012.(2).

[3]张玉龙，等．田间持水量含水状态下土水势的研究[J]．沈阳农业大学学报.1996.(2).

[4]徐立萍，等．土壤田间持水量实验分析[J]．农业与技术.2013.(8).

[5]王高英，等．土壤田间持水量测定对比试验分析[J]．陕西水利.2011.(3).

[中图分类号]S152.7+1

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)02-0055-03

[作者简介]王艳丽(1982-)，女，河北沧州人，工程师，主要从事水资源及洪水预报工作。

[收稿日期]2016-02-01